WO2001059412A1 - Rotating machine and method for recording vibrations - Google Patents
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- WO2001059412A1 WO2001059412A1 PCT/EP2001/001143 EP0101143W WO0159412A1 WO 2001059412 A1 WO2001059412 A1 WO 2001059412A1 EP 0101143 W EP0101143 W EP 0101143W WO 0159412 A1 WO0159412 A1 WO 0159412A1
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- G01H1/003—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector of rotating machines
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Definitions
- the present invention relates to a rotary machine with a housing and a rotor accommodated in the housing, which is provided with a number of blades lying side by side in circumferential direction, the tips of which are connected to one another by a cover band. It further relates to a method for the contactless detection of vibrations of blades on a rotor in a rotary machine, the tips of which are connected to one another via a shroud.
- Such a machine and such a non-contact method are from the article “A Review of Analysis Technologies for Blade Tip-Timmg Measurements * by S. Heath and M. Imregun, ASME publication 97-GT-218, presented at the International Gas Turbine & Aeroengme Congress & Exhibition, Orlando, Florida, June 2-5, 1997.
- This article describes a non-contact vibration detection using lasers for single blades without a cover sheet.
- Such a non-contact vibration detection is also known from US 4,790,189. The tips of the individual blades are detected by means of magnetic sensors.
- the known rotary machines and methods enable a high-precision recording of the fly-by times of all blades of a stage of a rotary machine to be monitored.
- a geometry that is clearly assigned to the blade is required to record the time of the flyby, and this is always the case with free-standing individual blades.
- many blade designs include integral or applied cover bands to reduce aerodynamic losses.
- shroud is not to be understood as restrictive here, but serves as a collective term for all connections of blades to one another in the area of the tip.
- the geo- Met ⁇ e such a cover band is generally not structured in such a way that a sensor can read a sufficient signal for detecting blade vibrations.
- the object of the present invention is therefore to provide a rotary machine and a method which enable reliable, contactless detection of the vibrations of blades, the tips of which are connected to one another via a shroud.
- the magnetically recognizable marking according to the invention can be scanned without contact and provides a geometry that is clearly assigned to the blades.
- the vibrations of the individual blades can then be calculated from the signal read by the at least one sensor.
- Coils or Hall sensors can be used as suitable sensors.
- the marking advantageously runs periodically in the circumferential direction of the shroud. This leads to a constantly repeating signal. Vibrations of the shroud in circumferential direction are reliably detected by a phase shift of the read signal.
- the marking is composed of individual, repeating sections. This enables simple and inexpensive production.
- the marking changes continuously in the transverse direction of the shroud without any repetition in such a way that the sensor reads exactly the signal for each transverse position of the shroud.
- This change in the transverse direction marking enables a detection of vibrations of the shroud in the transverse direction.
- the marking has independent information components in the circumferential and transverse directions. Therefore, vibrations in the transverse direction and vibrations in the circumferential direction can be recognized independently of one another.
- the continuous change of the marking in the transverse direction without repetition ensures that vibrations present in the transverse direction and circumferential direction are also recognized as such.
- the marking can be continuous or consist of separate segments. Depending on the boundary conditions, for example the speed of the rotor, a continuous marking or a marking made up of segments separated from one another is used.
- the marking is made of one piece of material with the shroud.
- a marking can be produced by placing an electrically conductive wire in the desired shape on the surface of the cover band and applying a current surge. The effect can be enhanced by a magnetic feedback for the river. This marking can be produced quickly and inexpensively in practically any shape. The structural integrity and surface of the shroud remain completely unaffected.
- the electrical ⁇ sch conductive wires can also be used to temporarily fit suitably shaped electrical or permanent magnets.
- the marking has magnets attached to the shroud. These magnets can easily be retrofitted in existing rotary machines.
- the magnets have recesses in the shroud and are attached to them.
- the insertion of the magnets in the recesses enables a continuous smooth surface of the cover tape.
- the rotor is provided with at least one indicator for determining its rotational position.
- a specific rotational position of the rotor is defined as the zero position via this indicator and an assigned signal generator. Starting from this zero position, the speed of the rotor and vibrations in the circumferential direction can be determined.
- the shroud be provided with a magnetic marking and this magnetic marking is read by at least one sensor.
- the read signal is recorded with a predetermined ) t_o t ⁇ > M _- ⁇
- FIG. 1 shows a longitudinal section through a rotary machine
- Figure 2 shows a section along the line II-II
- FIG. 3 shows an enlarged representation of the detail X from FIG. 2;
- FIG. 4 is a schematic plan view of a cover band of the second embodiment with a first signal
- FIG. 5 shows a view similar to FIG. 4 of a measurement displaced along a circumferential direction
- FIGS. 6 and 7 further configurations of a marking on the shroud.
- FIG. 1 shows a longitudinal section through a turbine 10 with a housing 11 and a rotor 12.
- the housing 11 is provided with a row of guide vanes 13 and the rotor 12 carries a number of rotor blades 14.
- the tips of the rotor blades 14 are above a shroud 15 connected.
- a fluid flows through the turbine 10 in the direction of the arrow 16, which rotates the rotor 12 m about an axis 29.
- the fluid flows along the guide vanes 13 and the rotor blades 14.
- the shroud 15 is provided with a magnetic marking 20. This marking 20 is read by sensors 18 in the housing 11.
- FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1 and FIG. 3 shows an enlarged view of the detail X from FIG. 2.
- the marking 20 of the cover tape 15 consists of a series of Magnets 17. These magnets 17 are inserted into recesses 19 of the cover tape 15 and fastened thereon. The result is an essentially smooth, continuous surface of the shroud 15.
- a plurality of sensors 18 are provided, which are distributed over the circumference of the housing 11.
- the signals read by the sensors are linked to one another by a suitable data processing device, not shown in detail.
- the rotational position and speed of the rotor 12 are determined by means of the indicator 25 and the signal generator 26 and the signals from the sensors 18 are linked.
- vibrations of the moving blades 14 and the shroud 15 can be precisely detected.
- Figures 4 and 5 show a cover tape 15 m of the settlement.
- a single continuous marking 20 is provided, which is essentially zigzag.
- the marking 20 is advantageously produced by placing an electrically conductive wire on the cover strip 15 and applying a current surge. It is designed gst piece with the shroud 15, so that the function of the shroud is not affected and the desired strength is maintained.
- the marking 20 is formed periodically and continuously in the circumferential direction 28. It is composed of individual repeating sections.
- the magnetic alignment is shown schematically in FIGS. 4 and 5 by the book bars “N X and“ S. A complete change in the magnetic orientation from north pole to south pole is not necessary. Erfmdungsgeolin may be provided to a weaker North Pole also a change from a strong magnetic north pole ⁇ .
- the soles of the magnetic marking are arranged radially inward in the direction of the axis 29.
- the south poles can also be provided as a marking and the north poles can be offset in the direction of the axis 29.
- FIG. 4 shows a measurement in a first transverse position of the shroud 15
- FIG. 5 shows a measurement in a second transverse position.
- the read signal 22a, 22b is shown below the development of the cover tape 15.
- the time t is plotted on the abscissa and the magnetic field strength H is plotted on the ordinate.
- the circumferential angle or another suitable unit can also be used instead of the time t.
- a periodically repeating signal 22 results.
- the indicator 25 and the signal transmitter 26 define a new zero point for each revolution of the rotor 12.
- the circumferential direction 28 15 enters a phase ⁇ shift of the signal 22 along the abscissa. This phase shift is recognized and enables the oscillation state of the rotor blades 14 to be inferred.
- the position of the circumferential line 30, along which the measurement is taken changes with respect to the marking 20.
- a different signal 22b results accordingly.
- the two read signals 22a, 22b are compared with one another. M may both signals 22a, 22b entha 1 ene static proportions, for example due to thermal expansion of the rotor 12 overall genuber the housing 11, cancel each other out in the evaluation.
- the signal 22b By comparing the signal 22b with the previously read signal 22a, all the vibrations of the shroud 15 and thus of the blades 14 are thus detected.
- the signal 22a serving as the reference signal can be continuously redefined, for example, with each revolution of the rotor 12.
- a reference signal can be used which is not changed over several revolutions or longer periods. Vibrations of the blades 14 are also reliably detected in this case. At the same time, static displacements between the housing 11 and the rotor 12 can be detected.
- a reference signal is used, which is specified once and is not subsequently changed.
- a comparison of the read signal 22a, 22b with this reference signal provides information about both static displacements and vibrations.
- Vibrations in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28 can be present at the same time. These vibrations must also be reliably detectable.
- the marking 20 is therefore designed such that it changes continuously in the transverse direction of the shroud 15 without repetition such that the sensors 18 read exactly e signal 22 for each transverse position of the shroud 15.
- the marking 20 thus contains a first piece of information for the transverse direction 27 and a second piece of information for the circumferential direction 28. These two pieces of information can be read separately and independently of one another. What is essential for this is the continuous change of the marking 20 m transverse direction of the shroud 15 without repetition. If, for example, parallel lines of the same thickness are used as the marking 20, there is no change in the transverse direction 27 of the cover tape 15. Such a marking would therefore only enable the detection of vibrations in the transverse direction 27 or in the circumferential direction 28. Vibrations that occur both in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28 can no longer be reliably detected with such a marking
- FIGS. 6 and 7 show further possible configurations of markings 20.
- FIG. 6 shows essentially wedge-shaped magnets 17, which are inserted at a distance from one another in the recesses 19 of the shroud 15.
- the magnets 17 advantageously have a constant distance.
- Vibrations in the transverse direction 27 are detected via the wedge shape of the magnets 17, while vibrations in the circumferential direction 28 are detected via a phase shift.
- a marking 20 made up of individual, separate segments 23, 24 according to FIG. 7 can be used.
- the segments 23, 24 are arranged at repeating distances 21 and periodically in the circumferential direction 28 of the shroud 15.
- the phase shift of the signal 22 is in turn used to detect vibrations in the circumferential direction 28. Vibrations in the transverse direction 27 are detected over the changing distance between the segments 23, 24.
- These markings 20 are also linked to the output signal of the signal transmitter 26 for detecting the speed and rotary bearing of the rotor 12.
- the invention provides a rotary machine and method which enable reliable, non-contact detection of the vibrations of rotor blades 14 with a shroud 15.
- the detection takes place by means of a magnetically recognizable marking 20 on the cover band.
- This marking 20 is advantageous in the circumferential direction 28 of the shroud. Disch and changes continuously in the transverse direction 27 without repetition. Vibrations in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28 can thus be detected separately from one another.
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Abstract
The invention relates to a rotating machine (10), comprising a housing (11) and a rotor (12), with rotating blades (14), the tips of which are connected together by a covering band (15). According to the invention, the covering band (15) is provided with a magnetically-perceptible marking (20), which is read by at least one sensor (18). The invention further relates to a method for the non-contact recording of vibrations, using a covering band (15) with said magnetic marking (20).
Description
Beschreibung description
Rotationsmaschine unα /erfahren zur Erfassung von SchwingungenRotation machine unα / experienced for the detection of vibrations
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotationsmaschine mit einem Gehäuse und einem m dem Gehäuse aufgenommenen Rotor, der mit einer Anzahl von m Umfangsπchtung nebeneinander liegenden Schaufeln versehen ist, deren Spitzen über ein Deckband miteinander verbunden sind. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur beruhrungslosen Erfassung von Schwingungen von Schaufeln an einem Rotor m einer Rotationsmaschine, deren Spitzen über ein Deckband miteinander verbunden sind.The present invention relates to a rotary machine with a housing and a rotor accommodated in the housing, which is provided with a number of blades lying side by side in circumferential direction, the tips of which are connected to one another by a cover band. It further relates to a method for the contactless detection of vibrations of blades on a rotor in a rotary machine, the tips of which are connected to one another via a shroud.
Eine derartige Maschine sowie em derartiges beruhrungsloses Verfahren sind aus dem Aufsatz „A Review of Analysis Techni- ques for Blade Tip-Timmg Measurements* von S. Heath und M. Imregun, ASME-Veroffentlichung 97-GT-218, vorgestellt auf der International Gas Turbine & Aeroengme Congress & Exhibition, Orlando, Florida, 02. bis 05. Juni 1997 bekannt. Dieser Aufsatz beschreibt eine beruhrungslose Schwingungserfassung mittels Lasern bei Einzelschaufeln ohne Deckblatt. Eine derartige beruhrungslose Schwingungserf ssung ist auch aus der US 4,790,189 bekannt. Die Spitzen der einzelnen Schaufeln werden hierbei mittels Magnetsensoren erfaßt.Such a machine and such a non-contact method are from the article “A Review of Analysis Technologies for Blade Tip-Timmg Measurements * by S. Heath and M. Imregun, ASME publication 97-GT-218, presented at the International Gas Turbine & Aeroengme Congress & Exhibition, Orlando, Florida, June 2-5, 1997. This article describes a non-contact vibration detection using lasers for single blades without a cover sheet. Such a non-contact vibration detection is also known from US 4,790,189. The tips of the individual blades are detected by means of magnetic sensors.
Die bekannten Rotationsmaschinen und Verfahren ermöglichen eine hochgenaue Erfassung der Vorbeiflugzeitpunkte aller Schaufeln einer zu überwachenden Stufe einer Rotationsmaschi- ne . Für die Erfassung des Vorbeiflugzeitpunktes ist eine eindeutig der Schaufel zugeordnete Geometrie erforderlich, die bei freistehenden Einzelschaufeln stets gegeben ist. Viele Schaufelauslegungen beinhalten allerdings integrale oder aufgebrachte Deckbander zur Verminderung aerodynamischer Verlus- te. Der Begriff Deckband ist hier nicht einschränkend zu verstehen, sondern dient als Sammelbegriff für alle Verbindungen von Schaufeln untereinander im Bereich der Spitze. Die Geo-
metπe derartiger Deckbander ist m der Regel nicht so strukturiert, daß em Sensor ein ausreichendes Signal zur Erfassung von Schaufelschwingungen ablesen kann.The known rotary machines and methods enable a high-precision recording of the fly-by times of all blades of a stage of a rotary machine to be monitored. A geometry that is clearly assigned to the blade is required to record the time of the flyby, and this is always the case with free-standing individual blades. However, many blade designs include integral or applied cover bands to reduce aerodynamic losses. The term shroud is not to be understood as restrictive here, but serves as a collective term for all connections of blades to one another in the area of the tip. The geo- Metπe such a cover band is generally not structured in such a way that a sensor can read a sufficient signal for detecting blade vibrations.
Es ist möglich, das Deckband mechanisch zu verandern, beispielsweise Erhöhungen aufzubringen oder eine Riffelung em- zufrasen. Derartige Veränderungen können die Funktion der Deckbander beeinträchtigen, deren Integrität stören oder eine nicht ausreichende Standzeit aufweisen.It is possible to mechanically change the shroud, for example to apply ridges or to mill out corrugation. Such changes can impair the function of the cover tapes, impair their integrity or have an insufficient service life.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Rotationsmaschine und em Verfahren bereitzustellen, die eine zuverlässige, beruhrungslose Erfassung der Schwingungen von Schaufeln ermöglichen, deren Spitzen über em Deckband mit- einander verbunden sind.The object of the present invention is therefore to provide a rotary machine and a method which enable reliable, contactless detection of the vibrations of blades, the tips of which are connected to one another via a shroud.
Erf dungsgemaß wird diese Aufgabe bei einer Rotationsmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelost, daß das Deckband mit einer magnetisch erkennbaren Markierung versehen ist und mindestens em Sensor zum Ablesen dieser magnetisch erkennbaren Markierung vorgesehen ist.Erf däßass this problem is solved in a rotary machine of the type mentioned in that the shroud is provided with a magnetically recognizable marking and at least em sensor is provided for reading this magnetically recognizable marking.
Die erfmdungsgemaß magnetisch erkennbare Markierung kann be- ruhrungslos abgetastet werden und stellt eine eindeutig den Schaufeln zugeordnete Geometrie bereit. Aus dem von dem mindestens einen Sensor abgelesenen Signal können anschließend die Schwingungen der einzelnen Schaufeln errechnet werden. Als geeignete Sensoren können Spulen oder Hallsensoren verwendet werden.The magnetically recognizable marking according to the invention can be scanned without contact and provides a geometry that is clearly assigned to the blades. The vibrations of the individual blades can then be calculated from the signal read by the at least one sensor. Coils or Hall sensors can be used as suitable sensors.
Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den abhangigen Ansprüchen hervor.Advantageous further developments and refinements of the invention emerge from the dependent claims.
Vorteilhaft verlauft die Markierung m Umfangsπchtung des Deckbands periodisch. Dies fuhrt zu einem sich standig wiederholenden Signal. Schwingungen des Deckbands in Umfangs-
richtung werden durch eine Phasenverschiebung des abgelesenen Signals zuverlässig erkannt.The marking advantageously runs periodically in the circumferential direction of the shroud. This leads to a constantly repeating signal. Vibrations of the shroud in circumferential direction are reliably detected by a phase shift of the read signal.
In vorteilhafter Weiterbildung ist die Markierung aus emzel- nen, sich wiederholenden Abschnitten zusammengesetzt. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Herstellung.In an advantageous further development, the marking is composed of individual, repeating sections. This enables simple and inexpensive production.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ändert sich die Markierung in Querrichtung des Deckbands fortlaufend ohne jede Wiederholung derart, daß der Sensor zu jeder Querposition des Deckbands genau em Signal abliest. Diese Änderung der Markierung Querrichtung ermöglicht eine Erfassung von Schwingungen des Deckbands in Querrichtung. Die Markierung weist voneinander unabhängige Informationsanteile m Umfangs- und Querrichtung auf. Daher können Schwingungen m Querrichtung und Schwingungen in Umfangsπchtung unabhängig voneinander erkannt werden. Die fortlaufende Änderung der Markierung m Querrichtung ohne Wiederholung stellt sicher, daß auch gleichzeitig vorliegende Schwingungen m Querrichtung und Um- fangsrichtung als solche erkannt werden.According to an advantageous embodiment, the marking changes continuously in the transverse direction of the shroud without any repetition in such a way that the sensor reads exactly the signal for each transverse position of the shroud. This change in the transverse direction marking enables a detection of vibrations of the shroud in the transverse direction. The marking has independent information components in the circumferential and transverse directions. Therefore, vibrations in the transverse direction and vibrations in the circumferential direction can be recognized independently of one another. The continuous change of the marking in the transverse direction without repetition ensures that vibrations present in the transverse direction and circumferential direction are also recognized as such.
Die Markierung kann durchgehend ausgebildet sein oder aus voneinander getrennten Segmenten bestehen. In Abhängigkeit von den Randbedingungen, beispielsweise der Drehzahl des Ro- tors, wird eine durchgehende Markierung oder eine Markierung aus voneinander getrennten Segmenten verwendet.The marking can be continuous or consist of separate segments. Depending on the boundary conditions, for example the speed of the rotor, a continuous marking or a marking made up of segments separated from one another is used.
In vorteilhafter erster Ausgestaltung ist die Markierung ma- terialemstuckig mit dem Deckband ausgebildet. Eine derartige Markierung laßt sich erzeugen, indem ein elektrisch leitfahi- ger Draht in der gew nschten Form auf die Oberflache des Deckbands aufgelegt und mit einem Stromstoß beaufschlagt wird. Die Wirkung laßt sich durch eine magnetische Rückführung für den Fluß verstarken. Diese Markierung kann in prak- tisch beliebigen Formen rasch und kostengünstig hergestellt werden. Die strukturelle Integrität und die Oberflache des Deckbands bleiben völlig unbeemtrachtigt . Anstatt des elekt-
πsch leitfahigen Drahts können auch passend geformte E- lektro- oder Dauermagneten temporar aufgesetzt werden.In an advantageous first embodiment, the marking is made of one piece of material with the shroud. Such a marking can be produced by placing an electrically conductive wire in the desired shape on the surface of the cover band and applying a current surge. The effect can be enhanced by a magnetic feedback for the river. This marking can be produced quickly and inexpensively in practically any shape. The structural integrity and surface of the shroud remain completely unaffected. Instead of the electrical πsch conductive wires can also be used to temporarily fit suitably shaped electrical or permanent magnets.
Gemäß einer vorteilhaften zweiten Ausgestaltung weist die Markierung am Deckband befestigte Magneten auf. Diese Magneten können ohne Schwierigkeiten m bereits vorhandenen Rotationsmaschinen nachgerustet werden.According to an advantageous second embodiment, the marking has magnets attached to the shroud. These magnets can easily be retrofitted in existing rotary machines.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Magneten Ausnehmungen des Deckbands eingesetzt und diesen befestigt. Das Einsetzen der Magneten in die Ausnehmungen ermöglicht eine durchgehende glatte Oberflache des Deckbands.According to an advantageous further development, the magnets have recesses in the shroud and are attached to them. The insertion of the magnets in the recesses enables a continuous smooth surface of the cover tape.
Vorteilhaft sind mehrere über den Umfang des Gehäuses ver- teilte Sensoren vorgesehen. Die Verwendung mehrerer Sensoren erhöht die Genauigkeit und ermöglicht eine bessere Schwingungserfassung .Several sensors distributed over the circumference of the housing are advantageously provided. The use of multiple sensors increases accuracy and enables better vibration detection.
In vorteilhafter Weiterbildung ist der Rotor mit mindestens einem Indikator zur Bestimmung seiner Drehlage versehen. Über diesen Indikator und einen zugeordneten Signalgeber wird eine bestimmte Drehlage des Rotors als Null-Lage festgelegt. Ausgehend von dieser Null-Lage können die Drehzahl des Rotors sowie Schwingungen m Umfangsrichtung bestimmt werden.In an advantageous development, the rotor is provided with at least one indicator for determining its rotational position. A specific rotational position of the rotor is defined as the zero position via this indicator and an assigned signal generator. Starting from this zero position, the speed of the rotor and vibrations in the circumferential direction can be determined.
Bei dem erfmdungsgemaßen Verfahren ist zur Losung der Aufgabe vorgesehen, daß das Deckband mit einer magnetischen Markierung versehen und diese magnetische Markierung über mindestens einen Sensor abgelesen wird.In the method according to the invention, to solve the problem, it is provided that the shroud be provided with a magnetic marking and this magnetic marking is read by at least one sensor.
Mit diesem Verfahren ist es erstmals möglich, Schwingungen von Schaufeln magnetisch zu erfassen, deren Spitzen über em Deckband miteinander verbunden sind. Die Erfassung erfolgt beruhrungslos und ist eindeutig.With this method it is possible for the first time to magnetically record vibrations of blades, the tips of which are connected to each other via a shroud. The acquisition is contactless and is clear.
In vorteilhafter Ausgestaltung wird zur Erfassung von Schwingungen der Schaufeln das abgelesene Signal mit einem vorgege-
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Figur 1 einen Längsschnitt durch eine Rotationsmaschine; Figur 2 einen Schnitt längs der Linie II-II;1 shows a longitudinal section through a rotary machine; Figure 2 shows a section along the line II-II;
Figur 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X aus Fi- gur 2 ;FIG. 3 shows an enlarged representation of the detail X from FIG. 2;
Figur 4 eine schematische Draufsicht auf e Deckband zweiter Ausgestaltung mit einem ersten Signal; Figur 5 eine Ansicht ähnlich Figur 4 einer Messung entlang einer Querrichtung verschobenen Umfangslmie; und die Figuren 6 und 7 weitere Ausgestaltungen einer Markierung auf dem Deckband.Figure 4 is a schematic plan view of a cover band of the second embodiment with a first signal; FIG. 5 shows a view similar to FIG. 4 of a measurement displaced along a circumferential direction; and FIGS. 6 and 7 further configurations of a marking on the shroud.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Turbine 10 mit einem Gehäuse 11 und einem Rotor 12. Das Gehäuse 11 ist mit einer Reihe von Leitschaufeln 13 versehen, und der Rotor 12 tragt eine Anzahl von Laufschaufeln 14. Die Spitzen der Laufschaufeln 14 sind über em Deckband 15 verbunden.FIG. 1 shows a longitudinal section through a turbine 10 with a housing 11 and a rotor 12. The housing 11 is provided with a row of guide vanes 13 and the rotor 12 carries a number of rotor blades 14. The tips of the rotor blades 14 are above a shroud 15 connected.
Die Turbine 10 wird Pfeilrichtung 16 von einem Fluid durchströmt, das den Rotor 12 m Drehung um eine Achse 29 versetzt. Das Fluid strömt hierbei an den Leitschaufeln 13 und den Laufschaufeln 14 entlang. Zur Erfassung von Schwingungen der Laufschaufeln 14 ist das Deckband 15 mit einer magnetischen Markierung 20 versehen. Diese Markierung 20 wird von Sensoren 18 im Gehäuse 11 abgelesen.A fluid flows through the turbine 10 in the direction of the arrow 16, which rotates the rotor 12 m about an axis 29. The fluid flows along the guide vanes 13 and the rotor blades 14. To detect vibrations of the blades 14, the shroud 15 is provided with a magnetic marking 20. This marking 20 is read by sensors 18 in the housing 11.
Zur Bestimmung der Drehlage des Rotors 12 sind em Indikator 25 und e Signalgeber 26 vorgesehen. Bei jeder Umdrehung des Rotors 12 wird von dem Signalgeber 26 em Signal ausgegeben. Die Drehlage des Rotors 12 kann somit eindeutig bestimmt und mit den Signalen der Sensoren 18 verknüpft werden. Vorteilhaft wird die Drehlage, m der der Indikator 25 dem Signalgeber 26 gegenüberliegt, als Null-Lage für den Rotor 12 festgelegt. Weiter ermöglicht der Signalgeber 26 eine Bestimmung der Drehzahl des Rotors 12.
Figur 2 zeigt einen Schnitt längs der Linie II-II in Figur 1 und Figur 3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit X aus Figur 2. Be dem m den Figuren 2 und 3 dargestellten Ausfuh- rungsbeispiel besteht die Markierung 20 des Deckbands 15 aus einer Reihe von Magneten 17. Diese Magneten 17 sind in Ausnehmungen 19 des Deckbands 15 eingesetzt und diesen befestigt. Es ergibt sich eine im wesentlichen glatte durchgehende Oberflache des Deckbands 15.To determine the rotational position of the rotor 12 em indicator 25 and e signal transmitter 26 are provided. With each revolution of the rotor 12, a signal is emitted by the signal generator 26. The rotational position of the rotor 12 can thus be clearly determined and linked to the signals from the sensors 18. The rotational position in which the indicator 25 lies opposite the signal transmitter 26 is advantageously set as the zero position for the rotor 12. The signal transmitter 26 also enables the speed of the rotor 12 to be determined. FIG. 2 shows a section along the line II-II in FIG. 1 and FIG. 3 shows an enlarged view of the detail X from FIG. 2. In the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the marking 20 of the cover tape 15 consists of a series of Magnets 17. These magnets 17 are inserted into recesses 19 of the cover tape 15 and fastened thereon. The result is an essentially smooth, continuous surface of the shroud 15.
Zum Ablesen der Markierung 20 sind mehrere Sensoren 18 vorgesehen, die über den Umfang des Gehäuses 11 verteilt sind. Die von den Sensoren abgelesenen Signale werden einer geeigneten, nicht naher dargestellten Datenverarbeitungseinrichtung miteinander verknüpft. Die Drehlage und Drehzahl des Rotors 12 werden über den Indikator 25 und den Signalgeber 26 bestimmt und m t den Signalen der Sensoren 18 verkn pft. Durch die gemeinsame Auswertung der Signale der Sensoren 18 und des Signalgebers 26 lassen sich Schwingungen der Laufschaufeln 14 und des Deckbands 15 präzise erfassen.To read the marking 20, a plurality of sensors 18 are provided, which are distributed over the circumference of the housing 11. The signals read by the sensors are linked to one another by a suitable data processing device, not shown in detail. The rotational position and speed of the rotor 12 are determined by means of the indicator 25 and the signal generator 26 and the signals from the sensors 18 are linked. By jointly evaluating the signals from the sensors 18 and the signal transmitter 26, vibrations of the moving blades 14 and the shroud 15 can be precisely detected.
Die Figuren 4 und 5 zeigen em Deckband 15 m der Abwicklung. Es ist eine einzige durchgehende Markierung 20 vorgesehen, die im wesentlichen zickzackformig verlauft. Die Markierung 20 wird vorteilhaft dadurch hergestellt, daß em elektrisch leitfahiger Draht auf das Deckband 15 aufgelegt und mit einem Stromstoß beaufschlagt wird. Sie ist emstuck g mit dem Deckband 15 ausgebildet, so daß die Funktion des Deckbands nicht beeinträchtigt wird und die gewünschte Festigkeit erhalten bleibt.Figures 4 and 5 show a cover tape 15 m of the settlement. A single continuous marking 20 is provided, which is essentially zigzag. The marking 20 is advantageously produced by placing an electrically conductive wire on the cover strip 15 and applying a current surge. It is designed gst piece with the shroud 15, so that the function of the shroud is not affected and the desired strength is maintained.
Die Markierung 20 ist m Umfangsπchtung 28 periodisch und durchgehend ausgebildet. Sie ist aus einzelnen sich wiederholenden Abschnitten zusammengesetzt. Die magnetische Ausrichtung ist m den Figuren 4 und 5 schematisch durch die Buch- Stäben „NX und „S gekennzeichnet.
Eine vollständige nderung der magnetischen Ausrichtung von Nordpol zu S dpol ist nicht erforderlich. Erfmdungsgemaß kann auch eine Änderung von einem starken magnetischen Nord¬ pol zu einem schwächeren Nordpol vorgesehen werden. Die Suα- pole der magnetischen Markierung s nd bei dieser Ausgestaltung radial einwärts Richtung zur Achse 29 angeordnet. Selbstverständlich können auch die Sudpole als Markierung vorgesehen werden und die Nordpole m Richtung zur Achse 29 versetzt sein.The marking 20 is formed periodically and continuously in the circumferential direction 28. It is composed of individual repeating sections. The magnetic alignment is shown schematically in FIGS. 4 and 5 by the book bars “N X and“ S. A complete change in the magnetic orientation from north pole to south pole is not necessary. Erfmdungsgemaß may be provided to a weaker North Pole also a change from a strong magnetic north pole ¬. In this embodiment, the soles of the magnetic marking are arranged radially inward in the direction of the axis 29. Of course, the south poles can also be provided as a marking and the north poles can be offset in the direction of the axis 29.
Im Betrieb der Turbine 10 können Schwingungen der Laufschaufeln 14 sowohl in Querrichtung 27 als auch m Umfangsrichtung 28 auftreten. Die Messung erfolgt naherungsweise entlang einer Umfangslmie 30. Figur 4 zeigt eine Messung bei einer ersten Querposition des Deckbands 15 und Figur 5 eine Messung bei einer zweiten Querposition. Unterhalb der Abwicklung des Deckbands 15 ist das abgelesene Signal 22a, 22b dargestellt. Auf der Abszisse ist die Zeit t und auf der Ordinate die magnetische Feldstarke H aufgetragen. Selbstverständlich kann anstelle der Zeit t auch der Umfangswmkel oder eine andere geeignete Einheit verwendet werden.During operation of the turbine 10, vibrations of the rotor blades 14 can occur both in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28. The measurement takes place approximately along a circumferential line 30. FIG. 4 shows a measurement in a first transverse position of the shroud 15 and FIG. 5 shows a measurement in a second transverse position. The read signal 22a, 22b is shown below the development of the cover tape 15. The time t is plotted on the abscissa and the magnetic field strength H is plotted on the ordinate. Of course, the circumferential angle or another suitable unit can also be used instead of the time t.
Beim Betrieb der Turbine 10 ergibt sich em sich periodisch wiederholendes Signal 22. Über den Indikator 25 und den Sig- nalgeber 26 wird für jede Umdrehung des Rotors 12 em neuer Null-Punkt festgelegt. Bei Schwingungen der Laufschaufeln 14 und des Deckbands 15 m Umfangsrichtung 28 tritt eine Phasen¬ verschiebung des Signals 22 entlang der Abszisse auf. Diese Phasenverschiebung wird erkannt und ermöglicht einen Ruckschluß auf den Schwmgungszustand der Laufschaufeln 14.During operation of the turbine 10, a periodically repeating signal 22 results. The indicator 25 and the signal transmitter 26 define a new zero point for each revolution of the rotor 12. When vibrations of the rotor blades 14 and the shroud m the circumferential direction 28 15 enters a phase ¬ shift of the signal 22 along the abscissa. This phase shift is recognized and enables the oscillation state of the rotor blades 14 to be inferred.
Bei Schwingungen m Querrichtung 27 ändert sich die Position der Umfangslmie 30, entlang der gemessen wird, gegenüber der Markierung 20. Es ergibt sich entsprechend em anderes Signal 22b.
Zur Erfassung von Schwingungen werden die beiden abgelesenen Signale 22a, 22b miteinander verglichen. Eventuell m beiden Signalen 22a, 22b entha1 ene statische Anteile, beispielsweise auf Grund einer thermischen Ausdehnung des Rotors 12 ge- genuber dem Gehäuse 11, heben sich bei der Auswertung auf. Durch einen Vergleich des Signals 22b mit dem früher abgelesenen Signal 22a werden somit allem die Schwingungen des Deckbands 15 und damit der Schaufeln 14 erfaßt.In the case of vibrations in the transverse direction 27, the position of the circumferential line 30, along which the measurement is taken, changes with respect to the marking 20. A different signal 22b results accordingly. To detect vibrations, the two read signals 22a, 22b are compared with one another. M may both signals 22a, 22b entha 1 ene static proportions, for example due to thermal expansion of the rotor 12 overall genuber the housing 11, cancel each other out in the evaluation. By comparing the signal 22b with the previously read signal 22a, all the vibrations of the shroud 15 and thus of the blades 14 are thus detected.
Das als Referenzsignal dienende Signal 22a kann fortlaufend neu festgelegt werden, beispielsweise bei jeder Umdrehung des Rotors 12. Alternativ kann em Referenzsignal verwendet werden, das über mehrere Umdrehungen oder größere Zeiträume nicht verändert wird. Schwingungen der Schaufeln 14 werden auch in diesem Fall zuverlässig erfaßt. Gleichzeitig können statische Verschiebungen zwischen dem Gehäuse 11 und dem Rotor 12 erfaßt werden.The signal 22a serving as the reference signal can be continuously redefined, for example, with each revolution of the rotor 12. Alternatively, a reference signal can be used which is not changed over several revolutions or longer periods. Vibrations of the blades 14 are also reliably detected in this case. At the same time, static displacements between the housing 11 and the rotor 12 can be detected.
Im Extremfall wird em Referenzsignal verwendet, das einmal vorgegeben und anschließend nicht verändert wird. Em Vergleich des abgelesenen Signals 22a, 22b mit diesem Referenzsignal liefert Auskunft sowohl über statische Verschiebungen als auch über Schwingungen.In extreme cases, a reference signal is used, which is specified once and is not subsequently changed. A comparison of the read signal 22a, 22b with this reference signal provides information about both static displacements and vibrations.
Es können gleichzeitig Schwingungen m Querrichtung 27 und in Umfangsπchtung 28 vorliegen. Auch diese Schwingungen müssen zuverlässig erfaßt werden können. Die Markierung 20 ist daher so ausgebildet, daß sie sich m Querrichtung des Deckbands 15 fortlaufend ohne Wiederholung derart ändert, daß die Sensoren 18 zu jeder Querposition des Deckbands 15 genau e Signal 22 ablesen. Die Markierung 20 enthalt somit einen ersten Infor- mationsanteil für die Querrichtung 27 und einen zweiten In- formationsanteil für die Umfangsrichtung 28. Diese beiden In- formationsanteile können getrennt und unabhängig voneinander abgelesen werden. Wesentlich hierfür ist die fortlaufende Änderung der Markierung 20 m Querrichtung des Deckbands 15 ohne Wiederholung.
Werden beispielsweise zueinander parallele Striche gleicher Dicke als Markierung 20 verwendet, liegt keine Änderung m Querrichtung 27 des Deckbands 15 vor. Eine derartige Markierung wurde somit nur die Erfassung von Schwingungen Querrichtung 27 oder m Umfangsπchtung 28 ermöglichen. Schwingungen, die sowohl in Querrichtung 27 als auch m Umfangs- πchtung 28 auftreten, können mit einer derartigen Markierung nicht mehr zuverlässig erfaßt werden.Vibrations in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28 can be present at the same time. These vibrations must also be reliably detectable. The marking 20 is therefore designed such that it changes continuously in the transverse direction of the shroud 15 without repetition such that the sensors 18 read exactly e signal 22 for each transverse position of the shroud 15. The marking 20 thus contains a first piece of information for the transverse direction 27 and a second piece of information for the circumferential direction 28. These two pieces of information can be read separately and independently of one another. What is essential for this is the continuous change of the marking 20 m transverse direction of the shroud 15 without repetition. If, for example, parallel lines of the same thickness are used as the marking 20, there is no change in the transverse direction 27 of the cover tape 15. Such a marking would therefore only enable the detection of vibrations in the transverse direction 27 or in the circumferential direction 28. Vibrations that occur both in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28 can no longer be reliably detected with such a marking.
In den Figuren 6 und 7 sind weitere mögliche Ausgestaltungen von Markierungen 20 dargestellt. Figur 6 zeigt im wesentlichen keilförmige Magneten 17, die beabstandet zueinander m Ausnehmungen 19 des Deckbands 15 eingesetzt sind. Vorteilhaft weisen die Magneten 17 einen gleichbleibenden Abstand auf.FIGS. 6 and 7 show further possible configurations of markings 20. FIG. 6 shows essentially wedge-shaped magnets 17, which are inserted at a distance from one another in the recesses 19 of the shroud 15. The magnets 17 advantageously have a constant distance.
Schwingungen m Querrichtung 27 werden über die Keilform der Magneten 17 erfaßt, wahrend Schwingungen Umfangsrichtung 28 über eme Phasenverschiebung erfaßt werden.Vibrations in the transverse direction 27 are detected via the wedge shape of the magnets 17, while vibrations in the circumferential direction 28 are detected via a phase shift.
Alternativ kann eine Markierung 20 aus einzelnen, voneinander getrennten Segmenten 23, 24 gemäß Figur 7 verwendet werden. Die Segmente 23, 24 sind in sich wiederholenden Abstanden 21 angeordnet und m Umfangsrichtung 28 des Deckbands 15 periodisch. Zur Erfassung von Schwingungen m Umfangsrichtung 28 wird wiederum die Phasenverschiebung des Signals 22 genutzt. Schwingungen in Querrichtung 27 werden über den sich ändernden Abstand zwischen den Segmenten 23, 24 erfaßt. Auch bei diesen Markierungen 20 erfolgt eine Verknüpfung mit dem Aus- gangssignal des Signalgebers 26 zur Erfassung der Drehzahl und Drehlager des Rotors 12.Alternatively, a marking 20 made up of individual, separate segments 23, 24 according to FIG. 7 can be used. The segments 23, 24 are arranged at repeating distances 21 and periodically in the circumferential direction 28 of the shroud 15. The phase shift of the signal 22 is in turn used to detect vibrations in the circumferential direction 28. Vibrations in the transverse direction 27 are detected over the changing distance between the segments 23, 24. These markings 20 are also linked to the output signal of the signal transmitter 26 for detecting the speed and rotary bearing of the rotor 12.
Die Erfindung stellt eine Rotationsmaschine und em Verfahren bereit, die eine zuverlässige, beruhrungslose Erfassung der Schwingungen von Laufschaufeln 14 mit einem Deckband 15 er- möglichen. Die Erfassung erfolgt mittels einer magnetisch erkennbaren Markierung 20 auf dem Deckband. Diese Markierung 20 ist vorteilhaft m Umfangsrichtung 28 des Deckbands perio-
disch und ändert sich in Querrichtung 27 fortlaufend ohne Wiederholung. Es können somit Schwingungen in Querrichtung 27 und in Umfangsrichtung 28 getrennt voneinander erfaßt werden.
The invention provides a rotary machine and method which enable reliable, non-contact detection of the vibrations of rotor blades 14 with a shroud 15. The detection takes place by means of a magnetically recognizable marking 20 on the cover band. This marking 20 is advantageous in the circumferential direction 28 of the shroud. Disch and changes continuously in the transverse direction 27 without repetition. Vibrations in the transverse direction 27 and in the circumferential direction 28 can thus be detected separately from one another.
Claims
1. Rotationsmaschine mit einem Gehäuse (11) und einem m dem Gehäuse (11) aufgenommenen Rotor (12), der mit einer Anzahl von in Umfangsrichtung nebeneinander liegenden Schaufeln (14) versehen ist, deren Spitzen über e Deckband (15) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband (15) mit einer magnetisch erkennbaren Markierung (20) versehen ist und mindestens em Sensor (18) zum Ablesen dieser magnetisch erkennbaren Markierung (20) vorgesehen ist.1. Rotary machine with a housing (11) and a m housing (11) accommodated rotor (12) which is provided with a number of blades (14) lying next to one another in the circumferential direction, the tips of which are connected to one another via e shroud (15) characterized in that the cover band (15) is provided with a magnetically recognizable marking (20) and at least one sensor (18) is provided for reading this magnetically recognizable marking (20).
2. Rotationsmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (20) n Umfangsrichtung (28) des Deckbands (15) periodisch verlauft.2. Rotary machine according to claim 1, characterized in that the marking (20) n circumferential direction (28) of the shroud (15) runs periodically.
3. Rotationsmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (20) aus einzelnen, sich wiederholenden Abschnitten (21) zusammengesetzt ist.3. Rotary machine according to claim 1 or 2, characterized in that the marking (20) from individual, repeating sections (21) is composed.
4. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Markierung (20) m Querrichtung (27) des Deckbands (15) fortlaufend ohne Wiederholung derart ändert, daß der Sensor (18) zu jeder Querpo- sition des Deckbands (15) genau ein Signal (22) abliest.4. Rotary machine according to one of claims 1 to 3, characterized in that the marking (20) m transverse direction (27) of the shroud (15) changes continuously without repetition such that the sensor (18) to each transverse position of the shroud (15) reads exactly one signal (22).
5. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (20) durchgehend ausgebildet ist oder aus voneinander getrennten Segmenten (23, 24) besteht.5. Rotary machine according to one of claims 1 to 4, characterized in that the marking (20) is continuous or consists of separate segments (23, 24).
6. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (20) mate- rialemstuckig mit dem Deckband (15) ausgebildet ist.6. Rotary machine according to one of claims 1 to 5, characterized in that the marking (20) is made of material with the shroud (15).
7. Rotationsmaschine nach einem der 7Λnspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierung (20) am Deckband (15) befestigte Magneten (17) aufweist. 7. Rotary machine according to one of 7Λnspruche 1 to 5, characterized in that the marking (20) on the shroud (15) has magnets (17) attached.
8. Rotationsmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Magneten (17) in Ausnehmungen (19) des Deckbands (15) eingesetzt und in diesen befestigt sind.8. Rotary machine according to claim 7, characterized in that the magnets (17) in recesses (19) of the shroud (15) are inserted and fastened therein.
9. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere über den Umfang des Gehäuses (11) verteilte Sensoren (18) vorgesehen sind.9. Rotary machine according to one of claims 1 to 8, characterized in that a plurality of sensors (18) distributed over the circumference of the housing (11) are provided.
10. Rotationsmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (12) mit mindestens einem Indikator (25) zur Bestimmung seiner Drehlage versehen ist.10. Rotary machine according to one of claims 1 to 9, characterized in that the rotor (12) is provided with at least one indicator (25) for determining its rotational position.
11. Verfahren zur berührungslosen Erfassung von Schwingungen von Schaufeln (14) an einem Rotor (12) in einer Rotationsmaschine (19), deren Spitzen über ein Deckband (15) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Deckband (15) mit einer magnetischen Markierung (20) versehen und diese magnetische Markierung (20) über mindestens einen Sensor (18) abgelesen wird.11. A method for the contactless detection of vibrations of blades (14) on a rotor (12) in a rotary machine (19), the tips of which are connected to one another via a shroud (15), characterized in that the shroud (15) with a magnetic Provide marking (20) and this magnetic marking (20) is read via at least one sensor (18).
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von Schwingungen der Schaufeln (14) das abgelesene Signal (22) mit einem vorgegebenen Referenzsignal verglichen wird.12. The method according to claim 11, characterized in that for the detection of vibrations of the blades (14) the read signal (22) is compared with a predetermined reference signal.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Referenzsignal ein fest vorgegebenes Signal oder ein früher abgelesenes Signal (22) verwendet wird.13. The method according to claim 12, characterized in that a fixed predetermined signal or a previously read signal (22) is used as the reference signal.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Sensoren (18) verwendet werden und die von den Sensoren (18) abgelesenen Signale (22) zur Erfassung der Schwingungen miteinander verknüpft werden. 14. The method according to any one of claims 11 to 13, characterized in that a plurality of sensors (18) are used and the signals (22) read from the sensors (18) are linked to one another for detecting the vibrations.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehlage des Rotors (12) über einen Signalgeber (26) bestimmt und mit den Signalen (22) des mindestens einen Sensors (18) verknüpft wird. 15. The method according to any one of claims 11 to 14, characterized in that the rotational position of the rotor (12) is determined via a signal transmitter (26) and is linked to the signals (22) of the at least one sensor (18).
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